論文の概要: Accurate harmonic vibrational frequencies for diatomic molecules via quantum computing

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2312.12320v1
• Date: Tue, 19 Dec 2023 16:44:49 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-12-20 14:51:17.193444
• Title: Accurate harmonic vibrational frequencies for diatomic molecules via quantum computing
• Title（参考訳）: 量子コンピューティングによる二原子分子の高精度高調波振動周波数
• Authors: Shih-Kai Chou, Jyh-Pin Chou, Alice Hu, Yuan-Chung Cheng and Hsi-Sheng Goan
• Abstract要約: 我々は,中性閉殻二原子分子集合の調和振動周波数を計算するために,有望な量子ビット効率の量子計算手法を提案する。 化学にインスパイアされたUCCSDアンサッツを用いた変動量子回路は、正確な対角化法と同じ精度が得られることを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: During the noisy intermediate-scale quantum (NISQ) era, quantum computational approaches refined to overcome the challenge of limited quantum resources are highly valuable. However, the accuracy of the molecular properties predicted by most of the quantum computations nowadays is still far off (not within chemical accuracy) compared to their corresponding experimental data. Here, we propose a promising qubit-efficient quantum computational approach to calculate the harmonic vibrational frequencies of a large set of neutral closed-shell diatomic molecules with results in great agreement with their experimental data. To this end, we construct the accurate Hamiltonian using molecular orbitals, derived from density functional theory to account for the electron correlation and expanded in the Daubechies wavelet basis set to allow an accurate representation in real space grid points, where an optimized compact active space is further selected so that only a reduced small number of qubits is sufficient to yield an accurate result. To justify the approach, we benchmark the performance of the Hamiltonians spanned by the selected molecular orbitals by first transforming the molecular Hamiltonians into qubit Hamiltonians and then using the exact diagonalization method to calculate the results, regarded as the best results achievable by quantum computation. Furthermore, we show that the variational quantum circuit with the chemistry-inspired UCCSD ansatz can achieve the same accuracy as the exact diagonalization method except for systems whose Mayer bond order indices are larger than 2. For those systems, we demonstrate that the heuristic hardware-efficient RealAmplitudes ansatz, even with a shorter circuit depth, can provide a significant improvement over the UCCSD ansatz, verifying that the harmonic vibrational frequencies could be calculated accurately by quantum computation in the NISQ era.
• Abstract（参考訳）: ノイズの多い中間スケール量子(NISQ)時代には、限られた量子資源の課題を克服するために改良された量子計算アプローチは非常に貴重である。 しかし、今日の量子計算のほとんどで予測される分子特性の正確さは、対応する実験データと比べてまだ遠い(化学精度には至っていない)。 そこで本研究では,中性閉殻二原子分子集合の高調波振動周波数を計算するための有望な量子ビット効率量子計算手法を提案する。 この目的のために,電子相関を考慮した密度汎関数理論に基づく分子軌道を用いた正確なハミルトニアンを構築し,daubechiesのウェーブレット基底系で拡張することにより,最適化されたコンパクトな活性空間が選択される実空間格子点における正確な表現を可能にした。 提案手法を正当化するために,まず分子ハミルトニアンを立方体ハミルトニアンに変換し,次に正確な対角化法を用いて量子計算により得られる最良の結果とみなすことにより,選択された分子軌道にまたがるハミルトニアンの性能をベンチマークした。 さらに,化学インスパイアしたutcsdアンサッツを用いた変分量子回路は,マイヤー結合次数が2より大きい系を除き,正確な対角化法と同じ精度が得られることを示した。 これらのシステムでは,回路深度が短かったとしても,ヒューリスティックなハードウェア効率のよい実振幅アンサッツがutcsdアンサッツよりも大幅に改善できることを実証し,nisq時代の量子計算により高調波振動周波数を精度良く計算できることを検証した。

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